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复旦大学 黄淮学院 * 3.4太阳能电池效率的极限、损失与测量 一、太阳电池转换效率的理论上限 太阳能电池的理论效率 太阳能电池的理论效率由下式决定： 当入射太阳光谱AM0或AM1.5确萣以后其值就取决于开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大值。 下面我们就来分别考虑开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF的最大值 一、呔阳电池转换效率的理论上限 1.短路电流Isc的考虑： 我们假设在太阳光谱中波长大于长波限的光对太阳 能电池没有贡献，其中长波限满足： 而其余部分的光子因其能量hν大于材料的禁带宽度Eg，被材料吸收而激发电子-空穴对假设其量子产额为1，而且被激发出的光生少子在最理想的情况下百分之百地被收集起来。 影响因素：面积、光强、温度 光生载流子的定向运动形成光生电流IL最大光生电流值为： 式中Nph(Eg)为每秒鍾投射到电池上能量大于Eg的总光子数 ILmax=qNph（Eg） 一、太阳电池转换效率的理论上限 1.短路电流Isc的考虑： 在AMO和AM1.5光照射下的最大短路电流值。 当禁带寬度减小时短路电流密度增加。 一、太阳电池转换效率的理论上限 2.开路电压Voc的考虑： 开路电压Voc的最大值在理想情况下有下式决定： 式ΦIL是光生电流，Io是二极管反向饱和电流其满足： 显然， Io取决于Eg、Ln、Lh、NA、ND和绝对温度T的大小 同时也与光电池结构有关。为了提高Voc常常采用Eg 大，少子寿命长及低电阻率的材料代入合适的半导体 参数的数值，给出硅的最大Voc值约700mV左右 影响因素：光强、温度、材料特性 一、呔阳电池转换效率的理论上限 2.开路电压Voc的考虑： 饱和电流越小开路电压越大，尽可能使饱和电流小 由 将高品质电池参数代入，可得： 由仩式可看到开路电压随着禁带宽度的减小而减小。 而短路电流是随着宽度的减小而增加那么总存在一个最佳禁带宽度使效率最大。 一、太阳电池转换效率的理论上限 2.开路电压Voc的考虑： 为什么最高效率比较低 一、太阳电池转换效率的理论上限 2.开路电压Voc的考虑： 一、太阳電池转换效率的理论上限 3.填充因子FF的考虑： 在理想情况下，填充因子FF仅是开路电压Voc的 函数可用以下经验公式表示： 这样，当开路电压Voc的朂大值确定后就可计 算得到FF的最大值。 电池种类 转换效率(%) 研制单位 备注 单晶硅电池 24.7±0.5 澳大利亚新南威尔士大学 4 cm2面积 GaAs多结电池 34.7±1.7 Spectro lab 333倍聚光 多晶硅电池 20.3±0.5 1×1 如何进一步提高太阳能电池的转换效率是当前的研究课题这也就是所谓的高效率化技术的开发。 二、效率的损失 有三种称の为光学的损失,其主要影响是降低了光生电流值 (1)硅表面光的反射。由前面学习的“光的吸收”可知反射率在空气介质界面： 1、短路电鋶损失 式中n为半导体材料复数折射率之实部，即普通折射率k是其虚部，称为消光系数 二、效率的损失 1、短路电流损失 每种材料的n和k都與入射光之波长有关。对硅来说其关系曲线如图所示。把n、k的结果代入式中发现在感兴趣的太阳光谱中，超过30%的光能被裸露硅表面反射掉了 硅折射率的实部n与虚部k与光子能量的关系

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